خلية دانييل

إنشاء خلايا كهربائية من النحاس والزنك باستخدام محلولين من أملاح المعادن بتركيزين مختلفين، وقياس الفرق في الجهد بينهما.

الجانب العلمي وراء هذه التجربة

المعدات المستخدمة

المواد الكيميائية والمواد الكاشفة

أسئلة للطلاب

ما يمكن توقعه

يتراوح الجهد المبين بين 1.09 و1.1 فولت في كل تجربة، حتى لو اختلفت التركيزات. Cu²⁺ + 2e⁻ → Cu + 0.34 فولت؛ Zn²⁺ + 2e⁻ → Zn⁻ + 0.76 فولت. إن ميل الزنك إلى فقدان الإلكترونات وتكوين أيونات أقوى من ميل النحاس، ولذلك سيكون هناك تركيز أكبر من الإلكترونات على قطب الزنك. عند إكمال الدائرة الكهربائية، تتدفق الإلكترونات من المعدن ذي التركيز (الجهد) الأعلى إلى المعدن ذي التركيز الأقل. Zn → Zn²⁺ + 2e⁻ (عملية الأكسدة؛ القطب الموجب –) Cu²⁺ + 2e⁻ → Cu (عملية الاختزال، القطب السالب +). من المهم تذكر أن القطب السالب هو المكان الذي تحدث فيه عمليات الاختزال، بينما القطب الموجب هو المكان الذي تحدث فيه عمليات الأكسدة. في هذه الخلايا، نستخدم عملية كيميائية للحصول على تيار كهربائي. وهناك نوع آخر من الخلايا، وهو الخلية الإلكتروليتية، التي ينتج فيها تطبيق جهد كهربائي مباشر عملية كيميائية. لا تزال الأقطاب تُسمى الأنود والكاثود، ولكن في هذه الحالة، يكون الأنود (حيث لا يزال التفاعل عبارة عن عملية أكسدة) هو القطب الموجب، بينما يكون الكاثود (حيث لا يزال التفاعل عبارة عن عملية اختزال) هو القطب السالب. عندما يربط سلك القطبين، يمكن للإلكترونات أن تنتقل عبره (أي يوجد تيار) من الزنك لتصل إلى قطب النحاس لتحييد شحونه الموجبة (اختزال أيونات النحاس وتكوين النحاس المعدني). وبما أن الإلكترونات تُسحب من قطب الزنك، فإن أيونات الزنك الجديدة ستدخل المحلول لاستعادة التوازن. سيتوقف التفاعل قريبًا لأن محلول الزنك سيصبح موجبًا بشكل متزايد ومحلول النحاس سالبًا بشكل متزايد، لكن الجسر الملحي يسمح بتدفق الإلكترونات بين المحلولين. وبسبب هذه التفاعلات، يصبح قطب الزنك (القطب السالب حيث تحدث عملية الأكسدة، ويُسمى أيضًا الأنود) أرق تدريجيًا، بينما يصبح قطب النحاس (القطب الموجب حيث تحدث عملية الاختزال، ويُسمى أيضًا الكاثود) أكثر سمكًا. ومثل أي بطارية، فإن هذا النوع من البطاريات له عمر محدود. تخضع الأقطاب الكهربائية لتفاعلات كيميائية تعوق تدفق التيار الكهربائي. فتتناقص القوة الدافعة الكهربائية وتتوقف البطارية عن العمل. وعادةً ما يحدث أن إنتاج الهيدروجين عند القطب النحاسي وتراكم رواسب الأكاسيد على القطب الزنكي يعملان كحواجز بين المعادن والإلكتروليتات. ويُشار إلى ذلك باسم استقطاب الأقطاب الكهربائية. ولتحقيق عمر أطول وجهد كهربائي وتدفق تيار أعلى، من الضروري استخدام إلكتروليتات أكثر ملاءمة لهذا الغرض. تحتوي البطاريات التجارية، إلى جانب إلكتروليتها العادية، على مواد كيميائية ذات تقارب مع الهيدروجين تتحد مع الهيدروجين قبل أن يتمكن من استقطاب الأقطاب الكهربائية.

التخلص

تخلص من المحاليل في حاوية النفايات.

قم بإجراء هذه التجربة في فصلك الدراسي

تُعد هذه التجربة جزءًا من برنامج «ATP Volta» — وهو مختبر علمي متنقل ومكتفٍ ذاتيًا يحول الفصل الدراسي العادي إلى مختبر عملي في مجالات العلوم والتكنولوجيا والهندسة والرياضيات (STEM)، ويضم أكثر من 200 تجربة في مجالات الفيزياء والكيمياء والبيولوجيا والروبوتات والهندسة. ويقوم « Gali » — وهو المرشد التعليمي الذي يعمل بالذكاء الاصطناعي والمدمج في موقع ATP Connect — بتوجيه الطلاب خلال كل خطوة والإجابة على أسئلتهم أثناء إجراء التجارب.

التجارب ذات الصلة